碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手论文和设计-袁曦明

全文摘要

本实用新型公开了一种碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，包括：碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手、碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手；碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，包括：碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指、碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节、指节、绝热可伸缩软管、碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉、指关节联动机构；碳纳米管纤维螺旋纱线与弹性管相结合，在热工质作用下具有协同膨胀、伸长叠加和驱动增强功能。

主设计要求

1.一种碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，其特征在于，包括：碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手或碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手；所述碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，包括：碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指、手掌、热气液工质工作腔室、加热器、工质、智能控制器；所述碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指，包括：碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节、指节、绝热可伸缩软管；所述碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节，包括：碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉、指关节联动机构；所述碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉，包括：碳纳米管纤维螺旋纱线、弹性管、上端盖、下端盖、热气液工质接口管道、热气液工质管道控制阀、传感器；所述碳纳米管纤维螺旋纱线内嵌在弹性管的表层内构成复合弹性管；所述上端盖装配有热气液工质接口管道和热气液工质管道控制阀；所述热气液工质接口管道与弹性管内均装配有传感器；所述碳纳米管纤维螺旋纱线内嵌在弹性管构成的复合弹性管两端，分别与上端盖、下端盖相连接，构成一体化的碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉；所述碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉的两端分别与指关节联动机构的两端相连接，构成碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节；所述碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指，包括：一个或多个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节与一个或多个指节；所述一个或多个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节分别与一个或多个指节相连接，构成碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指；所述热气液工质工作腔室、加热器和智能控制器均装配在手掌内；所述热气液工质工作腔室通过绝热可伸缩软管，分别与一个或多个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指中碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉相连接；所述加热器与热气液工质工作腔室相连接；所述碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，包括：一个或多个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指；所述一个或多个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指的末端分别与手掌相连接，构成碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手。

设计方案

2.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，其特征在于，所述碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，包括：碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指、手掌、热气液工质工作腔室、加热器、工质、智能控制器；所述碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指，包括：碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉、指关节联动机构、多个指节、索线、复位弹簧；所述碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉，包括：碳纳米管纤维网格纱线、弹性管、上端盖、下端盖、热气液工质接口管道、热气液工质管道控制阀、传感器；所述碳纳米管纤维网格纱线由碳纳米管纤维构成网格；所述弹性管外面有碳纳米管纤维网格纱线，并构成复合结构的复合弹性管；所述上端盖装配有热气液工质接口管道和热气液工质管道控制阀；所述热气液工质接口管道与弹性管内均装配有传感器；所述复合弹性管的两端分别是上端盖、下端盖，它们构成一体化结构的碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉；所述碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉通过索线一端与指关节联动机构和多个指节相连接；所述索线另一端与复位弹簧相连接；所述热气液工质工作腔室、加热器和智能控制器均装配在手掌内；所述热气液工质工作腔室通过绝热可伸缩软管与碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉相连接；所述加热器与热气液工质工作腔室相连接；所述碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，包括：一个或多个碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指；所述一个或多个碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指的末端分别与手掌相连接，构成碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手。

3.根据权利要求1或2所述的碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，其特征在于，所述碳纳米管纤维纱线包括：由多数单根碳纳米管、碳纳米管聚集束纤维或碳纳米管复合纤维并股形成的复股纤维纱线；所述碳纳米管复合纤维，包括：由碳纳米管纤维与不同于碳纳米管纤维的纤维复合构成。

4.根据权利要求1或2所述的碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，其特征在于，所述加热器，包括：激光加热器、可控电阻加热器、电磁加热器、微波加热器、化学反应加热器、电火花加热器或可燃冰加热器中的一种。

5.根据权利要求1或2所述的碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，其特征在于，所述工质包括：纯水、水溶液、无机溶剂、有机溶液、多元无机混合物、多元有机混合物、热膨胀液体、热膨胀气体或具有加热升华的固体物质中的一种。

6.根据权利要求1或2所述的碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，其特征在于，所述传感器包括：温度传感器、压力传感器、角度传感器、握力传感器、拉力传感器或流体传感器中的一种或多种。

7.根据权利要求1或2所述的碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，其特征在于，所述弹性管包括：有机耐热弹性管、无机耐热弹性管、复合材料耐热弹性管或无机有机杂化材料耐热弹性管中的一种；所述弹性管还包括：绝热型弹性管；所述绝热型弹性管，包括：绝热型有机耐热弹性管、绝热型无机耐热弹性管、绝热型复合材料耐热弹性管或绝热型无机有机杂化材料耐热弹性管中的一种。

8.根据权利要求1或2所述的碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，其特征在于，所述智能控制器分别与传感器、热气液工质管道控制阀、加热器和热气液工质工作腔室相连接。

9.根据权利要求1所述的碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，其特征在于，所述碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手中的碳纳米管纤维螺旋纱线，能够采用石墨烯纤维螺旋纱线、复合纤维螺旋纱线替代；所述碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手中的碳纳米管纤维网格纱线，能够采用石墨烯纤维网格纱线、复合纤维螺旋纱线替代。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于机器人灵巧手、人工智能和光机电一体化中的驱动器技术领域，更具体地涉及一种碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手。

背景技术

随着机器人灵巧手技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用,对机器人灵巧手操作的智能性、灵巧性和适应性要求越来越高。机器人灵巧手是机器人末端执行器，并作为机器人与环境相互作用的最后执行部件,对机器人智能化水平和作业水平的提高具有重要指标作用。

近年来，多指机器人手的研究受到人们的广泛关注，多指机器人手从结构与功能上能够模仿人的手,可以实现对多种不同形态物体的操作和力的控制,因此具有解决一些抓取复杂形态物品的能力。传统机器人的手面临一些技术问题，如：结构较简单、运动形式较单一、自由度较少、抓取稳定性较差、抓取复杂形态物品的能力较弱、抓取灵活性不足等，因此在一定程度上制约了机器人技术的进一步发展。目前国内外传统的机器人灵巧手一般较多以刚性的机械结构为主，此类结构的灵巧手多采用高刚度、高硬度的金属或聚合材料制作其手掌和手指结构，以电机、钢索、滑轮等作为驱动和传动元件，因此存在明显缺陷，如：传统结构的机器人灵巧手其刚性的手指对目标物体(尤其是柔软、脆嫩目标)操作安全性较差，并且一般只有较少关节，自由度有限，对工作空间受限的环境适应能力不强等。相比于传统结构的机器人灵巧手采用的电机驱动、液压驱动、气压驱动方式，热气液驱动机器人灵巧手技术应用在一些特殊领域具有其优越性，如：驱动功率较高，操作较方便，价格较低廉，清洁无污染、安全性较好，较容易控制，实用领域较广，环境适应性较强等优点，因此有着广泛的应用前景。

当前，如何在机器人灵巧手技术中采用新的驱动技术及新装置，如何在机器人灵巧手中进一步模拟人手结构和功能，如何进一步提高机器人多指灵巧手的适应性和多自由度，如何进一步提高机器人多指灵巧手实现对形态较复杂物品的抓、握、夹等复杂动作，如何在航空航天、深海探测、医疗康复、远程操作、助残服务等领域进一步推广高性能、高适应性的机器人多指灵巧手等，这些问题有待人们解决。

实用新型内容

针对当前在机器人灵巧手及人工肌肉型驱动领域技术发展存在的系列问题，本实用新型提供一种碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，以达到采用碳纳米管纤维纱线新材料与热驱动技术相结合，来优化拓展机器人灵巧手及驱动技术的应用范围及性能指标。

本实用新型的一种碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的实现具体技术方案包括：碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手或碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手；所述碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，包括：碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指、手掌、热气液工质工作腔室、加热器、工质、智能控制器；所述碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指，包括：碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节、指节、绝热可伸缩软管；所述碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节，包括：碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉、指关节联动机构；所述碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉，包括：碳纳米管纤维螺旋纱线、弹性管、上端盖、下端盖、热气液工质接口管道、热气液工质管道控制阀、传感器；所述碳纳米管纤维螺旋纱线内嵌在弹性管的表层内构成复合弹性管；所述碳纳米管纤维螺旋纱线具有约束弹性管径向膨胀及加强筋作用，还具有与弹性管在热工质作用下协同膨胀叠加伸长驱动功能；所述上端盖装配有热气液工质接口管道和热气液工质管道控制阀；所述热气液工质接口管道与弹性管内均装配有传感器；所述碳纳米管纤维螺旋纱线内嵌在弹性管构成的复合弹性管两端，分别与上端盖、下端盖相连接，构成一体化的碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉；所述碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉的两端分别与指关节联动机构的两端相连接，构成碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节；所述碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指，包括：一个或多个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节与一个或多个指节；所述一个或多个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节分别与一个或多个指节相连接，构成碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指；所述热气液工质工作腔室、加热器和智能控制器均装配在手掌内；所述热气液工质工作腔室通过绝热可伸缩软管分别与一个或多个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指中的碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉相连接，并提供输送加热后的工质，还能够回收并存储热驱动效应后的回流工质；所述加热器与热气液工质工作腔室相连接，为热气液工质工作腔室内的工质提供工质由液态变为气态的热能量；所述碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，包括：一个或多个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指；所述一个或多个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指的末端分别与手掌相连接，构成碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手。

上述方案中，所述碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，包括：碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指、手掌、热气液工质工作腔室、加热器、工质、智能控制器；所述碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指，包括：碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉、指关节联动机构、多个指节、索线、复位弹簧；所述碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉，包括：碳纳米管纤维网格纱线、弹性管、上端盖、下端盖、热气液工质接口管道、热气液工质管道控制阀、传感器；所述碳纳米管纤维网格纱线由碳纳米管纤维构成的网格；所述弹性管外面有碳纳米管纤维网格纱线，并构成复合结构的复合弹性管；所述上端盖装配有热气液工质接口管道和热气液工质管道控制阀；所述热气液工质接口管道与弹性管内均装配有传感器；所述由弹性管与碳纳米管纤维网格纱线构成的复合弹性管两端，分别是上端盖、下端盖，它们构成一体化结构的碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉；所述碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉通过索线一端与指关节联动机构和多个指节相连接；所述索线另一端与复位弹簧相连接；所述热气液工质工作腔室、加热器和智能控制器均装配在手掌内；所述热气液工质工作腔室通过绝热可伸缩软管分别与碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指中的碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉相连接，并提供输送加热后的工质，还能够回收并存储热驱动效应后的回流工质；所述加热器与热气液工质工作腔室相连接，为热气液工质工作腔室内的工质提供工质由液态变为气态的热能量；所述碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，包括：一个或多个碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指；所述一个或多个碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指的末端分别与手掌相连接，构成碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手。

上述方案中，所述碳纳米管纤维纱线包括：由多数单根碳纳米管、碳纳米管聚集束纤维或碳纳米管复合纤维采用并股工艺形成的复股纤维纱线；所述碳纳米管复合纤维，包括：由碳纳米管纤维与其它不同于碳纳米管纤维的纤维复合构成。

上述方案中，所述加热器，包括：激光加热器、可控电阻加热器、电磁加热器、微波加热器、化学反应加热器、电火花加热器或可燃冰加热器中的一种；所述激光加热器是采用激光辐照的光热量来实现加热，或采用光导纤维来传导激光光热量来实现加热；所述可控电阻加热器是在智能控制器指令下，通过可控电阻电流大小来实现加热；所述电磁加热器是采用通过电磁效应来实现加热；所述微波加热器是采用微波辐射来实现加热；所述化学反应加热器是利用物质间的化学反应产生的热量来实现加热；所述电火花加热器是采用电极间通电能后产生的火花来实现加热；所述可燃冰加热器是采用可燃冰作为燃料来实现加热。

上述方案中，所述工质包括：纯水、水溶液、无机溶剂、有机溶液、多元有机混合物、热膨胀液体、热膨胀气体或具有加热升华的固体物质中的一种。

上述方案中，所述传感器包括：温度传感器、压力传感器、角度传感器、握力传感器、拉力传感器或流体传感器中的一种或多种。

上述方案中，所述弹性管包括：有机耐热弹性管、无机耐热弹性管、复合材料耐热弹性管或无机有机杂化材料耐热弹性管中的一种；所述弹性管还包括：绝热型弹性管；所述绝热型弹性管，包括：绝热型有机耐热弹性管、绝热型无机耐热弹性管、绝热型复合材料耐热弹性管或绝热型无机有机杂化材料耐热弹性管的一种。

上述方案中，所述智能控制器包括：计算机芯片、数据存储芯片及相关软件；所述智能控制器分别与传感器、热气液工质管道控制阀、加热器和热气液工质工作腔室相连接。

上述方案中，所述碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手中的碳纳米管纤维螺旋纱线，能够采用石墨烯纤维螺旋纱线、复合纤维螺旋纱线替代；所述碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手中的碳纳米管纤维网格纱线，能够采用石墨烯纤维网格纱线、复合纤维螺旋纱线替代。

本实用新型碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的两种类型工作过程分别如下：

(1)碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的工作过程为：

智能控制器发出准备工作指令，加热器开始工作，热气液工质工作腔室中的工质温度快速升高，工质由液态转变为气态，热气液工质工作腔室中的压力开始升高，为碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指工作做好准备；智能控制器发出抓取工作指令，一个或多个热气液工质接口管道中装配的热气液工质管道控制阀按照指令打开，在热气液工质工作腔室中的高温热气液压力作用下，热气液工质通过绝热可伸缩软管被传输，进入机器人灵巧手的一个或多个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节中，并进入碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉；热气液工质分别从一个或多个上端盖装配有热气液工质管道控制阀和热气液工质接口管道，分别进入一个或多个碳纳米管纤维螺旋纱线内嵌在弹性管的表层内构成复合弹性管内腔；在热气液工质管道控制阀的调控下，一个或多个碳纳米管纤维螺旋纱线内嵌在弹性管的表层内构成复合弹性管分别被充入不同量的热气液工质，且温度快速升高；碳纳米管纤维螺旋纱线具有约束弹性管径向膨胀及加强筋作用，弹性管只能在轴向上伸长变形；碳纳米管纤维螺旋纱线在高温作用下，也在轴向上伸长变形；此时，碳纳米管纤维螺旋纱线与弹性管在热工质作用下协同产生膨胀叠加伸长驱动效应，并带动指关节联动机构弯曲；在智能控制器指令下，碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的一个或多个手指的不同指关节形成一定角度弯曲，协同完成对物品的抓取工作。

在碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手进行抓取过程中，装配在手指、手掌、热气液工质工作腔室、加热器、热气液工质接口管道、热气液工质管道控制阀中的温度传感器、压力传感器、角度传感器、握力传感器、拉力传感器、流体传感器，分别将不同传感器检测到的数据信息传输给智能控制器；智能控制器的芯片通过数据处理，指令热气液工质工作腔室、加热器、热气液工质管道控制阀开展协同调控工作，来调控机器人灵巧手的一个或多个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节动作，调控碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉中的热气液工质流量大小，达到控制碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指关节弯曲角度及形态，实现稳定可靠的抓取不同形态物品。

当碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的抓取物品工作完成后，智能控制器指令碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的释放物品工作；在智能控制器指令下，加热器停止加热工作，热气液工质工作腔室的工质温度快速降低，工质由气态变为液态；热气液工质工作腔室的压力快速降低，热气液工质工作腔室停止向一个或多个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节中的碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉提供新热气液工质；碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉中的热气液工质温度也快速降低，碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉中的热气液工质也由气态变为液态；碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉中的液态工质通过绝热可伸缩软管被传输回热气液工质工作腔室储存备用；此时，碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指松开物品，并释放物品，完成抓取释放物品的循环工作。

(2)碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的工作过程为：

智能控制器发出准备工作指令，加热器开始工作，热气液工质工作腔室中的工质温度快速升高，工质由液态转变为气态，热气液工质工作腔室中的压力开始升高，为碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指工作做好准备；智能控制器发出抓取工作指令，热气液工质接口管道中装配的热气液工质管道控制阀打开，在热气液工质工作腔室中的高温热气液压力作用下，热气液工质通过绝热可伸缩软管被传输，进入机器人灵巧手的碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节中，进入碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉；热气液工质分别从上端盖装配有热气液工质管道控制阀和热气液工质接口管道，进入弹性管的内腔；碳纳米管纤维网格纱线在弹性管的表层，构成复合弹性管，并被充入热气液工质，且温度快速升高；碳纳米管纤维网格协同弹性管径向膨胀，在轴向上收缩变形驱动；此时，碳纳米管纤维网格纱线与弹性管在热工质作用下协同产生轴向上叠加收缩驱动效应；碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉通过索线一端与指关节联动机构和多个指节相连接；索线另一端与复位弹簧相连接；在智能控制器指令下，碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉协同指关节联动机构、索线和多个指节形成一定角度的弯曲，完成对物品的抓取工作。

在碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手进行抓取过程中，装配在手指、手掌、热气液工质工作腔室、加热器、热气液工质接口管道、热气液工质管道控制阀中的温度传感器、压力传感器、角度传感器、握力传感器、拉力传感器、流体传感器，分别将不同传感器检测到的数据信息传输给智能控制器；智能控制器的芯片通过对信息数据的运算处理，指令热气液工质工作腔室、加热器、热气液工质管道控制阀协同工作，来调控机器人灵巧手的碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节，调控碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉中的热气液工质流量大小，达到控制碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指关节弯曲角度及形态，实现稳定可靠的抓取不同形态物品。

当碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的抓取物品工作完成后，智能控制器指令碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的释放物品工作；在智能控制器指令下，加热器停止加热工作，热气液工质工作腔室的工质温度快速降低，工质由气态变为液态；热气液工质工作腔室的压力快速降低，热气液工质工作腔室停止向碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节中的碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉提供新热气液工质；碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉中的热气液工质温度快速降低，碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉中的热气液工质也由气态变为液态；碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉中的液态工质通过绝热可伸缩软管被传输回热气液工质工作腔室储存备用；此时在复位弹簧协同作用下，碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指松开物品，并释放物品，完成抓取释放物品的循环工作。

本实用新型的碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手具有以下有益效果：

a、本实用新型碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指，采用碳纳米管纤维螺旋纱线热驱动人工肌肉，将碳纳米管纤维螺旋纱线内嵌在弹性管的表层内构成复合弹性管；碳纳米管纤维螺旋纱线具有约束弹性管径向膨胀及加强筋作用；碳纳米管纤维螺旋纱线与弹性管相结合，在热工质作用下具有协同膨胀、伸长叠加和驱动增强功能。

b、本实用新型碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，采用碳纳米管纤维螺旋纱线热驱动人工肌肉或碳纳米管纤维网格纱线热驱动人工肌肉与指关节联动机构相结合，采用热工质驱动，能够克服传统机器人灵巧手需要的微电机及复杂的机械装置，克服了传统气动人工肌肉需要的压缩机及庞杂的气动装置；本实用新型采用的装置结构紧凑，热驱动效率高，其工质可以循环使用。

c、本实用新型碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，采用了新的热驱动方式：加热器；加热器可以根据不同环境和不同条件下，分别选择采用配置激光加热器、可控电阻加热器、电磁加热器、微波加热器、化学反应加热器、电火花加热器，拓展了机器人灵巧手的应用范围。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指结构示意图；

图2是碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节的结构示意图；

图3是碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉的结构示意图；

图4是碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指结构示意图；

图5是碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节的结构及工作原理示意图；

图6是碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉的结构示意图。

其中，碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指1、碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节3、碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉4、手掌5、热气液工质工作腔室6、加热器7、智能控制器8、近指节9、中指节10、末指节11、绝热可伸缩软管12、指关节联动机构13、碳纳米管纤维螺旋纱线14、弹性管15、上端盖16、下端盖17、热气液工质接口管道18、热气液工质管道控制阀19、中空结构20、流体传感器21、压力传感器22、温度传感器23、连杆24、转轴25、连接件26、碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指2、碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉27、近指节28、中指节29、末指节30、索线31、复位弹簧32、指关节轴33、索线轴34、关节连接件35、碳纳米管纤维网格纱线36、弹性管37、上端盖38、下端盖39、热气液工质接口管道40、热气液工质管道控制阀41。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

实施例1.碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手

本实用新型实施例的碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指1结构示意图(见图1)；碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节3的结构示意图(见图2)；碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉4的结构示意图(见图3)。

本实用新型实施例的碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，包括：碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指1、手掌5、热气液工质工作腔室6、加热器7、工质、智能控制器8；碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指1，包括：碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节3(见图2)、近指节9、中指节10、末指节11、绝热可伸缩软管12；碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节3，包括：碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉4(见图3)、指关节联动机构13；碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉4，包括：碳纳米管纤维螺旋纱线14、弹性管15、上端盖16、下端盖17、热气液工质接口管道18、热气液工质管道控制阀19、传感器；弹性管15是中空结构20；碳纳米管纤维螺旋纱线14内嵌在弹性管15的表层内构成复合弹性管；碳纳米管纤维螺旋纱线14具有约束弹性管15径向膨胀及加强筋作用，还具有与弹性管15在热工质作用下协同膨胀叠加伸长驱动功能；上端盖16装配有热气液工质接口管道18和热气液工质管道控制阀19；热气液工质接口管道18内装配有流体传感器21，弹性管15内的中空结构20中装配有压力传感器22和温度传感器23(见图3)；碳纳米管纤维螺旋纱线14内嵌在弹性管15的复合弹性管一端与上端盖16相连接，碳纳米管纤维螺旋纱线14内嵌在弹性管15的复合弹性管另一端与下端盖17相连接，构成一体化的碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉4；本实施例1采用的指关节联动机构13(见图2)，包括：连杆24、转轴25、连接件26(见图2)；碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉4的两端分别与指关节联动机构13的两端相连接，构成碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节3(见图2)；本实施例1碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指1，包括：3个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节3与3个指节(近指节9、中指节10、末指节11)(见图1)；3个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节3分别与3个指节首位相连接，构成碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指1(见图1)；热气液工质工作腔室6、加热器7和智能控制器8均装配在手掌5内；热气液工质工作腔室6中的工质采用水；热气液工质工作腔室6通过绝热可伸缩软管12分别与3个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指1中的碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉4相连接，并提供输送加热后的工质，还能够回收并存储热驱动效应后的回流工质；7加热器采用可控电阻加热器，并与热气液工质工作腔室6相连接，为热气液工质工作腔室6内的工质提供工质水由液态变为气态的热能量；碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，包括：5个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指1；5个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指1的末端分别与手掌5相连接，构成碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手。

实施例1.碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的工作过程如下：

智能控制器8发出准备工作指令，加热器7开始工作，热气液工质工作腔室6中的工质水温度快速升高，工质水由液态转变为气态，热气液工质工作腔室6中的压力开始升高，为碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指1工作做好准备；智能控制器8发出抓取工作指令，热气液工质接口管道18中装配的热气液工质管道控制阀19按照指令打开，在热气液工质工作腔室6中的高温热气液压力作用下，热气液工质通过绝热可伸缩软管12被传输，进入机器人灵巧手的多个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节3中，并进入碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉4；热气液工质分别从多个上端盖16装配有热气液工质管道控制阀19和热气液工质接口管道18，分别进入多个碳纳米管纤维螺旋纱线14内嵌在弹性管15的表层内构成复合弹性管内腔中空结构20(见图3)；在热气液工质管道控制阀19的调控下，多个碳纳米管纤维螺旋纱线14内嵌在弹性管15的表层内构成复合弹性管分别被充入不同量的热气液工质，且温度快速升高；碳纳米管纤维螺旋纱线14具有约束弹性管15径向膨胀及加强筋作用，弹性管15只能在轴向上伸长变形；碳纳米管纤维螺旋纱线15在高温作用下，也在轴向上伸长变形；此时，碳纳米管纤维螺旋纱线14与弹性管15在热工质作用下协同产生膨胀叠加伸长驱动效应，并带动指关节联动机构13弯曲；在智能控制器8指令下，碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的多个手指的不同指关节形成一定角度弯曲，协同完成对物品的抓取工作。

在碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手进行抓取过程中，装配在碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指1、手掌5、热气液工质工作腔室6、加热器7、热气液工质接口管道18、热气液工质管道控制阀19中的温度传感器、压力传感器、角度传感器、握力传感器、拉力传感器、流体传感器，分别将不同传感器检测到的数据信息传输给智能控制器8；智能控制器8的芯片通过数据处理，指令热气液工质工作腔室6、加热器7、热气液工质管道控制阀19开展协同调控工作，来调控进入碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉4中的热气液工质流量大小，来调控机器人灵巧手的多个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节13动作；通过调控碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉4中的热气液工质流量，达到控制碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指1关节弯曲角度及形态，实现稳定可靠的抓取不同形态物品。

当碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的抓取物品工作完成后，智能控制器8指令碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的释放物品工作；在智能控制器8指令下，加热器7停止加热工作，热气液工质工作腔室6的工质温度快速降低，工质由气态变为液态；热气液工质工作腔室6的压力快速降低，热气液工质工作腔室6停止向多个碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节3中的碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉4提供新热气液工质；碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉4中的热气液工质温度也快速降低，碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉4中的热气液工质也由气态变为液态；碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉4中的液态工质通过绝热可伸缩软管12被传输回热气液工质工作腔室6储存备用；此时，碳纳米管纤维螺旋纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指1松开物品，并释放物品，完成抓取释放物品的循环工作。

实施例2.碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手

本实用新型实施例2的碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指2结构示意图(见图4)；碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节的结构及工作原理示意图；(见图5)；碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉27的结构示意图(见图6)。

本实用新型实施例的碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，包括：包括：碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指2、手掌、热气液工质工作腔室、加热器、工质、智能控制器；碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指2，包括：碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉27、指关节联动机构、近指节28、中指节29、末指节30、索线31、复位弹簧32；指关节联动机构，包括：指关节轴33、索线轴34、关节连接件35(见图4)；近指节28、中指节29、末指节30分别通过索线31与指关节联动机构相连接，其索线31两端分别与复位弹簧32相连接，构成碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指2(见图4)；碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉27(见图6)，包括：碳纳米管纤维网格纱线36、弹性管37、上端盖38、下端盖39、热气液工质接口管道40、热气液工质管道控制阀41、传感器；碳纳米管纤维网格纱线36由碳纳米管纤维构成的网格；弹性管37外面有碳纳米管纤维网格纱线36，并构成复合结构的复合弹性管；上端盖38装配有热气液工质接口管道40和热气液工质管道控制阀41；热气液工质接口管道40与弹性管37内均装配有传感器；由弹性管37与碳纳米管纤维网格纱线36构成的复合弹性管一端是上端盖38，由弹性管37与碳纳米管纤维网格纱线36构成的复合弹性管另一端是下端盖39，它们构成一体化结构的碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉27；热气液工质工作腔室、加热器和智能控制器均装配在手掌内；热气液工质工作腔室通过绝热可伸缩软管分别与碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指2中的碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉27相连接，并提供输送加热后的工质，还能够回收并存储热驱动效应后的回流工质；加热器与热气液工质工作腔室相连接，为热气液工质工作腔室内的工质提供工质由液态变为气态的热能量；碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手，包括：3个碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指2；3个碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指2的末端分别与手掌相连接，构成碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手。

实施例2.碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的工作过程如下：

智能控制器发出准备工作指令，加热器开始工作，热气液工质工作腔室中的工质水温度快速升高，工质水由液态转变为气态，热气液工质工作腔室中的压力开始升高，为碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指2工作做好准备；智能控制器发出抓取工作指令，热气液工质接口管道40中装配的热气液工质管道控制阀41打开，在热气液工质工作腔室中的高温热气液压力作用下，热气液工质通过绝热可伸缩软管被传输，进入机器人灵巧手的碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节中，进入碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉27；热气液工质分别从上端盖38装配有热气液工质管道控制阀41和热气液工质接口管道40，进入弹性管的内腔；碳纳米管纤维网格纱线36在弹性管37的表层，构成复合弹性管，并被充入热气液工质，且温度快速升高；碳纳米管纤维网格协同弹性管径向膨胀，在轴向上收缩变形驱动，带动索线31移动，索线31带动碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节运动；此时，碳纳米管纤维网格纱线36与弹性管37在热工质作用下协同产生轴向上叠加收缩驱动效应；碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉27通过索线31一端与指关节联动机构和3个指节相连接；索线31另一端与复位弹簧32相连接；在智能控制器指令下，碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉27协同指关节联动机构、索线31和多个指节形成一定角度的弯曲，完成对物品的抓取工作。

在碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手进行抓取过程中，装配在手指、手掌、热气液工质工作腔室、加热器、热气液工质接口管道40、热气液工质管道控制阀41中的温度传感器、压力传感器、角度传感器、握力传感器、拉力传感器、流体传感器，分别将不同传感器检测到的数据信息传输给智能控制器；智能控制器的芯片通过对信息数据的运算处理，指令热气液工质工作腔室、加热器、热气液工质管道控制阀41协同工作，来调控机器人灵巧手的碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节，调控碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉27中的热气液工质流量，达到控制碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指2关节弯曲角度及形态，实现稳定可靠的抓取不同形态物品。

当碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的抓取物品工作完成后，智能控制器指令碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的释放物品工作；在智能控制器指令下，加热器停止加热工作，热气液工质工作腔室的工质温度快速降低，工质由气态变为液态；热气液工质工作腔室的压力快速降低，热气液工质工作腔室停止向碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型指关节中的碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉27提供新热气液工质；碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉27中的热气液工质温度快速降低，碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉27中的热气液工质也由气态变为液态；碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉27中的液态工质通过绝热可伸缩软管被传输回热气液工质工作腔室储存备用；此时在复位弹簧32协同作用下，碳纳米管纤维网格纱线复合弹性管热驱动人工肌肉型机器人灵巧手的手指2松开物品，并释放物品，完成抓取释放物品的循环工作。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手论文和设计

碳纳米管纤维纱线热驱动人工肌肉型机器人灵巧手论文和设计-袁曦明

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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